Este documento describe la simulación de un reactor isotérmico para producir anhídrido maleico a partir de buteno utilizando el software MATLAB. Los resultados muestran que la conversión aumenta con la temperatura y el peso del catalizador, mientras que la caída de presión depende principalmente del peso del catalizador y el tamaño del reactor. La variación de la presión inicial y el factor alfa afectan las concentraciones de las especies pero no la conversión ni la caída de presión de manera significativa.

1. Simulación de reactor isotérmico para producir Anhídrido Maleico a partir
de buteno.
Guerrero, Yeniret 1; Mora, Miguel 2.
Escuela de Ingeniería Química. Facultad de Ingeniería.
Conjunto Universitario “Pedro Rincón Gutiérrez, La Hechicera”
Universidad de Los Andes. Mérida
1
yeniret__24@hotmail.com; 2
miguel_lob0@hotmail.com;
Resumen
Con el objetivo de simular el proceso de obtención de anhídrido maleico a partir de la oxidación de buteno en un
reactor de lecho empacado que opera isotérmicamente en un intervalo de temperatura entre 200-350 ºC y con una
presión inicial de 1.3 bar; se utilizo el software matemático matlab.
1. Introducción
El anhídrido maleico es una materia prima
adecuada para la producción de muchas otras
sustancias. Esto es debido a la reactividad del doble
enlace en combinación con los dos grupos carbonilo,
Las principales industrias que usan el anhídrido maleico
son las químicas, textiles, alimentarias y cosméticas.
También se utiliza para el tratamiento de papel y en cera
de piso. La principal aplicación industrial de anhídrido
maleico es la polimerización con glicoles y epóxidos
insaturados lineales a poliésteres, que son utilizados en
la elaboración de embarcaciones, muebles, en la
industria de la construcción, autopartes, tuberías,
tanques de almacenamiento, entre otros.
De igual forma es utilizado en la Fabricación de
resina alquidal: usada en la formulación de pinturas,
barnices y recubrimientos. El anhídrido maleico se utiliza
como materia prima en la fabricación de ácido fumárico
y ácido málico, los cuales son usados como aditivos
preservadores y acidificantes en la industria alimenticia,
también es empleado como materia prima en la
elaboración de insecticidas y herbicidas.
2. Variables del proceso
El proceso a simular se basa en la producción de
anhídrido maleico a partir de la oxidación de buteno,
como se muestra en la siguiente reacción:
𝐶𝐻2 = 𝐶𝐻 − 𝐶𝐻2 − 𝐶𝐻3 + 3𝑂2 → 𝐶4 𝐻2 𝑂3 + 3𝐻2 𝑂
Esta se lleva a cabo en un reactor de lecho
empacado utilizando como catalizador vanadio-fosforo
(VPO). Tiene un calor de reacción de ΔHR= -1150
KJ/mol.
La constante de velocidad específica para esta
reacción a la temperatura de 420 ºC es de 2,29 mol/(s
kg MPa). Para hallar esta constante en el intervalo de
estudio, se utiliza la ecuación de Arrhenius
𝐾𝑖𝑗
( 𝑇) = 𝐴 × 𝑒
−𝐸𝑎
𝑅𝑇 𝑒𝑐. (1)
Ea: energía de activación (80700 J/mol)
A: factor de frecuencia
R: constante universal de los gases (8,314 J/mol.K)
T: temperatura (K)
Por otra parte la velocidad de reacción se
obtiene mediante la siguiente expresión:
𝑟𝑖𝑗 =
𝐾𝑖𝑗×𝑃𝑏𝑡𝑒×√
𝑃 𝑂2
𝑃+⁄
1+𝑏 𝑏𝑡𝑒×𝑃 𝑏𝑡𝑒
𝑒𝑐.(2)
bbte: constante de inhibición relacionada con el buteno
Pbte: presión parcial del buteno
PO2: presión parcial del oxigeno
P+: presión de referencia (26 Kpa)
Tabla 1
Capacidades caloríficas (Cp/R)
Especie A 103XB 106XC 10-5XD
Buteno 1,967 31,630 -9,873 -
Oxigeno 3,639 0,506 - -0,227
Nitrógeno 3,280 0,593 - 0,040
Agua 3,470 1,450 - 0,121
𝐶𝑝 𝑅 = 𝐴 + 𝐵𝑇 + 𝐶𝑇2
+ 𝐷𝑇−2⁄
Tabla 2
Capacidad calorífica del Anhídrido maleico
(Cal/mol K)
A 101XB 105XC 107XD
3,123 0,8323 -5,217 1,156
𝐶𝑝 = 𝐴 + 𝐵𝑇 + 𝐶𝑇2
+ 𝐷𝑇3

2. Condiciones del proceso:
Temperatura: debe estar dentro de un rango de
200-350 ºC.
Presión (Po): la presión inicial es igual a 1,3 bar
Flujo volumétrico (Vo): entre 10-30 ml/s.
Catalizador: Vanadio-Fosforo VOP
Diámetro de partícula (Dp): 0.005 m
Porosidad(θ): 0,5.
Peso del catalizador (w): 0,1723 Kg
Densidad (ρc): 1300 Kg/m3
Reactor: de lecho empacado
Diámetro (Dr): 0,015 m
Longitud (L): 1,5 m
Ecuaciones de Diseño:
𝑑𝑥
𝑑𝑤
=
−(𝑟𝐴)
𝐹𝐴𝑂
𝑒𝑐. (3)
𝑑(𝑃 𝑃𝑜)⁄
𝑑𝑤
=
−𝛼
2
×
𝑃𝑜
𝑃
𝑒𝑐. (4)
𝑃
𝑃𝑜
= 𝑦 𝑒𝑐. (5)
𝛼 =
2 × 𝛽
𝐴𝑟 × 𝜌𝑐 × (1 − 𝜃) × 𝑃𝑜
𝑒𝑐. (6)
𝛽 =
𝐺 × (1 − 𝜃)
𝜌𝑜 × 𝐷𝑝 × 𝜃3
× [
150 × (1 − 𝜃) × 𝜇
𝐷𝑝
+ 1,75 × 𝐺] 𝑒𝑐. (7)
G: flujo másico.
ρo: densidad de la mezcla inicial.
Ar: área del reactor.
µ: viscosidad del aire.
3. Resultados y Discusión
Luego de simular el proceso en el software
matemático Matlab, aplicando las ecuaciones antes
descritas y trabajando a una temperatura de 300ºC se
obtuvieron los siguientes resultados:
En la figura 1a se observa que a medida que
aumenta el peso del catalizador la conversión del
buteno varía de manera ascendente.
Figura1a: conversión vs peso del catalizador.
En las reacciones en fase gas la concentración de
las especies que reaccionan es proporcional a la presión
total y por ello una consideración apropiada de los
efectos de la caída de presión sobre el sistema de
reacción, puede en muchos casos ser un factor clave
para el éxito o fracaso de la reacción. En figura 2 se
aprecia que la caída de presión no varía de manera
notable con las condiciones de operación dadas.
Figura 2a: Caída de presión vs peso del
catalizador.
La figura 3a muestra la variación de las
concentraciones con respecto al peso del catalizador, en
cuanto a los reactivos su concentración disminuye, esto
se puede comparar con la figura 1a, ya que al aumentar
la conversión, por consiguiente se va a consumir más
cantidad de reactivos, dando como resultado un
aumento exponencial de las concentraciones de los
productos.

3. Figura 3a: variación de la concentración vs peso del
catalizador
Luego de obtener los resultados a una
temperatura de 300 ºC, se procedió a simular el
proceso a diferentes temperaturas con el fin de
observar que cambios se presentaban.
Aumentando la temperatura a 350 ºC se
obtienen los siguientes resultados:
Figura 1b.
Figura 2b.
Figura 3b.
Disminuyendo la temperatura a 200 ºC, se obtiene:
Figura 1c.
Figura 2c.

4. Figura 3c.
Si se comparan los resultados anteriores se
puede decir que la caída de presión no es afectada
por el cambio de temperatura, por otra parte la
conversión es afectada de manera notable, ya que a
una temperatura superior se obtiene una conversión
aproximada a 1, mientras que si se disminuye la
temperatura la conversión se hace bastante
pequeña, lo que conlleva a que las concentraciones
de las especies sean prácticamente constantes a
medida que aumenta el peso del catalizador.
Por otra parte si se mantiene la temperatura
constante a 300 ºC y se varía la presión inicial a 0.5
bar se obtiene:
Figura 1d.
Figura 2d.
Figura 3d.
Con una presión de 5 bar los resultados fueron los
siguientes:
Figura 1e.

5. Figura 2e.
Figura 3e.
Con presiones de 0,5 y 5 bar se tiene que la caída
de presión y la conversión no varían significativamente,
por otra parte las concentraciones si cambian al jugar
con esta variable, esto se debe a que esta depende
directamente de la presión. Es importante resaltar que
para una presión de 50 bar se nota que la conversión
varía significativamente.
Si se varia el factor alpha la variable que resultaría
afectada es la caída de presión como se observa en la
ec(4), con el valor de alpha máximo el cual es el inverso
del peso del catalizador, este valor es de 5,8 se obtiene
la figura 4, donde se obtuvo que la caída de presión
cambia considerablemente con el mayor valor de alpha
que se puede usar.
Figura 4: caída de presión vs. Peso del catalizador
con alpha máximo.
Por último si se asume que no hay caída de presión
a lo largo del reactor se obtienen los siguientes
diagramas de conversión y concentración de las
especies.
Figura 5.
Figura 6.

6. Figura 7.
Al mantener la presión constante el perfil de
conversión y de concentración permanece invariable.
4. Conclusiones
-La caída de presión solo depende del peso del
catalizador y del tamaño del reactor.
-La conversión es dependiente prácticamente solo
de la temperatura.
5. Referencias Bibliográficas
Smith, J. (s.f). Introducción a la Termodinámica en
Ingeniería Química. Pp. 729.
Fogler, H. (2001). Elementos de Ingeniería de las
Reacciones Químicas. Pearson Educación, México.
Pp. 153-158.